Micro LED顯示面板的光學(xué)性能研究

本文榮獲“第十八屆全國LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展與技術(shù)研討會(2023'LED）暨2023全國LED顯示應(yīng)用技術(shù)交流及產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會"論文評選一等獎(jiǎng)。

摘要：

Micro LED顯示面板包含PCB板、LED芯片、封裝膠膜、驅(qū)動(dòng)IC等，Micro LED COB顯示屏的光學(xué)性能關(guān)鍵指標(biāo)：亮度、對比度、色域、灰階、刷新率、可視角等。本文通過研究COB單元板光學(xué)性能的設(shè)計(jì)影響因素，為COB單元板的光學(xué)性能設(shè)計(jì)提供參考。

一、引言

Micro LED顯示技術(shù)具有自發(fā)光、高對比度、寬色域、長壽命、低響應(yīng)時(shí)間、尺寸可無限擴(kuò)展，超高像素密度等優(yōu)勢。從圖1中與其它顯示技術(shù)的結(jié)構(gòu)對比可以看出，Micro LED顯示器結(jié)構(gòu)簡單，有效降低了光在顯示器內(nèi)部的損失，減小了顯示器的厚度，更加便于顯示屏的集成。

圖1、Micro-LED顯示器的結(jié)構(gòu)示意圖

相比于其他的自發(fā)光技術(shù)，從表現(xiàn)出的性能看Micro LED顯示具有如下顯著優(yōu)勢：

1）顯示圖像畫質(zhì)高：Micro LED顯示屏沒有光阻和濾光片的限制，亮度可以輕松達(dá)到2000-4000cd/m2，可以實(shí)現(xiàn)超高對比度和高品質(zhì)的HDR顯示效果。

2）能量利用效率高：由于Micro LED是自發(fā)光顯示技術(shù)，沒有透過率的限制。

3）使用壽命長：Micro LED顯示技術(shù)使用無機(jī)物半導(dǎo)體作為發(fā)光材料，性能穩(wěn)定，材料壽命長。

表1、Micro LED、OLED、QLED、LCD顯示技術(shù)主要特能對比

本文通過研究COB單元板光學(xué)性能的設(shè)計(jì)影響因素，為COB單元板的光學(xué)性能設(shè)計(jì)提供參考。

二、Micro LED 顯示面板的光學(xué)性能與物料設(shè)計(jì)的關(guān)系

圖2、Micro LED 顯示面板的主要材料組成示意圖

Micro LED顯示面板由正面的發(fā)光面和背面的驅(qū)動(dòng)面組成，分別包括：PCB板、LED芯片、封裝膠、驅(qū)動(dòng)IC等， COB封裝的Micro LED面板光學(xué)性能的關(guān)鍵指標(biāo)：亮度、對比度、色域、灰階、刷新率、可視角等。

下表我們分別對光學(xué)性能的影響進(jìn)行分析：

表2、光學(xué)指標(biāo)與主要物料設(shè)計(jì)關(guān)系圖

從物料的重要性程度來看依次是：LED晶片、驅(qū)動(dòng)IC、封裝膠、表面處理材料。從設(shè)計(jì)的角度來看依次是：亮度、對比度、可視角、色域、灰階、刷新率。當(dāng)然光學(xué)性能指標(biāo)與成本、可靠性、良品率等存在關(guān)系。

三、Micro LED 顯示面板的光學(xué)性能研究

3.1、封裝膠對顯示面板的光學(xué)性能影響

根據(jù)光在介質(zhì)傳輸過程中的透射和反射原理以及顯示面板光學(xué)模型設(shè)計(jì)，封裝膠的光學(xué)設(shè)計(jì)會對出光率、色坐標(biāo)（色溫）、可視角、散熱溫升、對比度產(chǎn)生影響。例如:封膠材料厚度對光學(xué)影響大，膠越厚則越會明顯降低發(fā)光亮度和色溫，紅光芯片本身發(fā)光角度比藍(lán)綠光芯片小，再加上芯片表面封膠后經(jīng)過一系列的折反射，紅光折射率比藍(lán)綠光小，藍(lán)綠光出光視角進(jìn)一步放大，導(dǎo)致色溫偏差等。

由于LED芯片制程工藝的影響N極位置臺階偏低，發(fā)光反應(yīng)層將被蝕刻掉。在出光方面展現(xiàn)為如圖1所示的R光型左方向角度強(qiáng)度稍強(qiáng)于右方向，而GB右方向角度強(qiáng)度高于左方向。

圖3、Mini-LED RGB裸晶芯片長邊方向光型分布圖

（單位：°）

為解決LED的出光問題，需通過對封裝膠進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)以達(dá)到最佳的出光效果。其中折射率是 LED 封裝材料最重要的性能指標(biāo)之一。LED 芯片與封裝材料的折射率對器件的發(fā)光效率有著至關(guān)重要的影響。如果封裝材料的折射率較低，則其與芯片之間的臨界角θc 就會偏小，損失較高的光通量并產(chǎn)生大量熱量，造成器件溫度過高。臨界角θc 的計(jì)算公式可通過 Lorentz-Lorenz 方程計(jì)算，如式 1所示

GaN 芯片的折射率為 2.45，藍(lán)寶石界面的折射率為1.768。相對的空氣折射率約為1。LED 芯片與封裝材料間的折射率差異越大，則臨界角θc 越小，越容易發(fā)生全反射，使光線反射回芯片，增大光損失，降低器件的發(fā)光效率。因此，優(yōu)質(zhì)的封裝材料必然要有較高的折射率。

折射率主要受材料分子量與分子結(jié)構(gòu)及固有摩爾折射率的影響，這符合Lorentz-Lorenz 關(guān)系式，如式 2，3 所示

由上述式子可以看出，物質(zhì)的折射率與摩爾體積成反比關(guān)系，與摩爾折射率成正比關(guān)系，而摩爾折射率又與介質(zhì)極化率成正比關(guān)系。所以可以直接在基體中填充高折射率的無機(jī)納米粒子，如氧化鋅、氧化鈦，氧化鋯等，或者向分子中引入電子極化率與摩爾體積比值大的原子或基團(tuán)，如芳香族環(huán)、重金屬離子、硫、砜基、除氟以外的鹵素等來提高材料的折射率[2]。

LED 的封裝方式是影響 LED 光輸出效率的另一重要因素。封裝的過程中為了得到高折射率的封裝層，減少光源經(jīng)過各界面的損失增加光輸出效率，因此在封裝層中盡可能提升其納米粒子的含量。但是，納米粒子含量的增加勢必會造成光散射的增加，體系固化膜的光透率下降。因此，如何在提升封裝層折射率的基礎(chǔ)上使光損耗降低成為一個(gè)重要的研究點(diǎn)。

LED 的單層封裝在一定程度上減小了光自芯片達(dá)到空氣中的損耗，但是單層封裝中存在阻隔性差，材料耐老化性相對較差等問題，再加上具備一定厚度的封裝層材料具有吸光現(xiàn)象，導(dǎo)致 LED 封裝產(chǎn)品的發(fā)光效率不高。研究中也提出了多種封裝方式優(yōu)化 LED 的封裝方式，例如優(yōu)化 LED 芯片表面的設(shè)計(jì)，在 LED 封裝膠上采用半球封裝設(shè)計(jì)，改進(jìn)封裝材料，優(yōu)化 LED 襯底圖案設(shè)計(jì)等等。

圖4、不同封裝結(jié)構(gòu)的光路示意圖

(a)傳統(tǒng)封裝 (b)微結(jié)構(gòu)封裝

封裝膠的微結(jié)構(gòu)表面與平面相比能夠增加光的提取效率，其原因在于表面微結(jié)構(gòu)可以降低封裝層和空氣之間界面上全反射現(xiàn)象的發(fā)生。圖4中顯示了在不同情況下光的傳播路徑，封裝層和空氣之間的界面上發(fā)生全反射的臨界角為38°~ 45°。與表面平整的封裝膠面不同的是，對于周期性的微結(jié)構(gòu)表面，由于界面處的全反射現(xiàn)象被破壞，光線幾乎可以以任意角度向外發(fā)射，因此它的光提取效率要比前者高得多。而表面平整的封裝膠面層，有一部分光未透過界面，降低了光提取效率，也轉(zhuǎn)化為熱能。

3.2、表面處理工藝對顯示面板的光學(xué)性能影響

封裝膠的外表面墨色、黑度、一致性、以及對外界環(huán)境光的反射率，對顯示面板的顯示對比度、外觀墨色一致性有著重要影響，而外封膠的表面墨色不僅由外封膠中添加的黑色素與封膠模具的表面光學(xué)處理方式?jīng)Q定，也由PCB的底色以及LED晶粒占發(fā)光像素的PCB焊盤面積比例大小等有關(guān)系，為了改善表面墨色也可以增加處理工藝，比如：噴涂、沾貼光學(xué)膜材等方式。

圖5、表面處理前（左圖）和表面處理后（右圖）

3.2.1、評估方案

表3、不同評估方案信息表

圖6a、A方案光澤度變化曲線圖

圖6b、B方案光澤度變化曲線圖

圖6c、C方案和D方案的光澤度數(shù)據(jù)對比

圖6d、C方案和D方案的光澤度數(shù)據(jù)對比

圖6、不同表面處理方案的數(shù)據(jù)對比

經(jīng)過不同表面處理的方案對比，減小表面處理材料對屏體亮度損失的前提下，封裝膠的外表面墨色、黑度、一致性等材料特性對屏體整體效果有良好促進(jìn)作用。

3.3、刷新頻率和換幀頻率影響分析

顯示面板發(fā)光面的LED陣列由驅(qū)動(dòng)面的IC來控制，利用人眼的視覺惰性，驅(qū)動(dòng)IC給LED陣列做周期性的通斷來控制其發(fā)光及發(fā)光強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)灰度級顯示及通過RGB三色的各級灰度組成全彩色，也就是通常所說的PWM脈沖寬度調(diào)制方式，所以驅(qū)動(dòng)IC的特性對光學(xué)性能、控制成本、功耗等都是非常關(guān)鍵的。從光學(xué)性能的性點(diǎn)分析影響，主要是：低灰時(shí)的高刷新率、高一致性、高掃高灰等。

3.3.1 刷新頻率

刷新頻率，在LED顯示中又叫視覺刷新頻率，是指同一幀圖像重復(fù)顯示的次數(shù)，因?yàn)?a target="_blank">LED驅(qū)動(dòng)發(fā)光的調(diào)節(jié)是通過PWM的方式，也就是重復(fù)點(diǎn)亮的方式（改變點(diǎn)亮與熄燈的時(shí)間比來調(diào)節(jié)亮度），因此涉及到重復(fù)顯示一幀畫面變化快慢的問題，這個(gè)快慢直接影響顯示效果及攝影效果，視覺刷新頻率越高，畫面越穩(wěn)定，閃爍感越小。像高清攝影，都是采用每秒1000HZ以上的高速攝影機(jī)進(jìn)行，較低的視覺刷新率拍攝時(shí)就會產(chǎn)生的黑色掃描線。

LED顯示視覺刷新頻率主要是由恒流驅(qū)動(dòng)IC決定，隨著低灰高刷新技術(shù)的出現(xiàn)，LED顯示屏視覺刷新率主要由IC驅(qū)動(dòng)的幾個(gè)參數(shù)共同決定或制約，GCLK總時(shí)序速度，灰度等級，行掃描數(shù)，行消隱時(shí)間等，以Micro LED產(chǎn)品為例。GCLK，又叫灰度時(shí)鐘，取消了原有由接收卡FPGA直接產(chǎn)生方式，由LED驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部通過鎖相環(huán)電路進(jìn)行倍頻等轉(zhuǎn)化。

圖7、LED驅(qū)動(dòng)電信號時(shí)鐘控制圖

GCLK大小決定了總的運(yùn)行速度，它由灰度等級每個(gè)數(shù)據(jù)處理占有，行掃描數(shù)量進(jìn)行均分，以13灰度等級為例，以GCLKs代表一個(gè)時(shí)鐘單位，13位灰度數(shù)大小為8192，采用PWM作為數(shù)據(jù)處理，至少需要8192個(gè)GCLKs，假如采用40掃，那么至少需要8192*40=327680個(gè)GCLKs，才能完整顯示一幀畫面一次，假如GCLK總量為30M左右，那么可以重復(fù)顯示的次數(shù)為30M/327680約=91，即視覺刷新率為91HZ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1000HZ，以及現(xiàn)在能達(dá)到的3840HZ，因此芯片內(nèi)部又引入了新的S-PWM技術(shù)，S-PWM技術(shù)在這不展開細(xì)說，可以等同理解為把灰度等級分割處理，變成同樣規(guī)格的一塊一塊的小單元同步處理。比如13灰度等級8192，可以分割成128*64，相當(dāng)于分割成64份，那么同樣條件處理一份數(shù)據(jù)只有128GCLKs，視覺刷新頻率這30M/128/40約=5800HZ，刷新率提高明顯，這個(gè)數(shù)據(jù)是一個(gè)理想的狀態(tài)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為去除每行掃描時(shí)余留的電量，會增加行掃描消隱時(shí)間條件，這個(gè)行消隱會加在每行行掃描之前，同樣會占用一定的GCLKs周期，這個(gè)GCLKs多少要根據(jù)實(shí)際我們開發(fā)的電路板，及燈珠狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)到一個(gè)合適值，假如行消隱設(shè)置為2.2us，需占用2.2us*30M=66個(gè)GCLKs。

圖8、LED驅(qū)動(dòng)控制的刷新方式

那么視覺刷新率為30M/[(128+66)*40]約=3947HZ。測試方法：可以用示波器監(jiān)測LED驅(qū)動(dòng)IC引腳，然后計(jì)算得出視覺刷新率；可以用光電探頭直接探測光輸出脈沖量，然后通過處理器進(jìn)行分析計(jì)算。

3.3.2 換幀頻率

換幀頻率指每秒鐘更新畫面的數(shù)量，高換幀率能真實(shí)自然的反映比較快速運(yùn)動(dòng)的畫面，比如足球運(yùn)動(dòng)場面，格斗畫面，運(yùn)動(dòng)員的技巧動(dòng)作畫面，Micro LED巨幕是由系統(tǒng)視頻處理器及發(fā)送卡容量決定，諾瓦每一款發(fā)送卡的總?cè)萘渴且欢ǖ?，要提高換幀頻率就需犧牲帶載數(shù)量，比如其中一款4K產(chǎn)品，支持2K(1920*1080@120HZ),帶載到4K時(shí)，換幀頻率對應(yīng)降低，支持（3840*2160@30HZ）,帶載數(shù)量增長4倍，換幀頻率降低4倍，單獨(dú)容量也只是個(gè)成本的問題，可選用高容量的發(fā)送盒，或采用發(fā)送拿級聯(lián)都可以實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)要求。

最終反映顯示畫面上的換幀頻率由片源，操作系統(tǒng)視頻處理器，及LED發(fā)送盒共同決定，SDR片源常見的是24幀，HDR超高清片源為50,100,120幀三種。

測試方法：利用能產(chǎn)生各種幀數(shù)片源的設(shè)備產(chǎn)生特定畫面，在設(shè)備終端可觀測是否有丟數(shù)據(jù)包的情況而判定是否支持到相對應(yīng)的幀數(shù)，以下是一款巨幕測試的情況：

無丟包（支持60HZ）

丟包(不支持72HZ)

圖9、LED驅(qū)動(dòng)控制的換幀頻率

3.4、LED芯片

LED芯片的波長、亮度、出光角度等決定了顯示面板的主要光學(xué)性能，由于LED晶粒尺寸微小、易損傷，一般都要封裝后才能進(jìn)行測試。而且面板封裝會利用LED晶粒的光學(xué)特性進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，因此只有在充分了解LED晶粒的光學(xué)特性基礎(chǔ)上才能準(zhǔn)確測試分析面板的光學(xué)特性。

圖10、LED芯片封裝示意圖

（1）波長

全彩LED顯示屏是由紅、綠、藍(lán)3種芯片LED組成的，而顯示屏的色彩與每種芯片顏色波長密切相關(guān)，所以，顯示屏所用紅、綠、藍(lán)3種LED的平均波長決定了LED全彩顯示屏的動(dòng)態(tài)色域范圍。一般，紅色的波長范圍在622~630nm，綠色在524~530nm，藍(lán)色在468~476nm之間；高品質(zhì)的LED全彩顯示屏應(yīng)該具有較寬的色域范圍，這樣才能真實(shí)逼真地再現(xiàn)顯示的畫面圖像。紅、綠、藍(lán)三種顏色的主bin波長范圍均不應(yīng)寬于5nm，且每種顏色的波長分布應(yīng)呈正態(tài)分布。目前行業(yè)正在進(jìn)行的圓片芯片嘗試，由于圓片的波長寬度接近10nm，所以圓片的應(yīng)用在不同芯片的混排、混固上需要投入更多的時(shí)間。

（2）亮度

亮度是Micro LED全彩顯示屏的基本指標(biāo)。行業(yè)一般認(rèn)定，=戶內(nèi)顯示屏亮度應(yīng)450~1000nits，整屏亮度取決于組成每個(gè)像素點(diǎn)的紅綠藍(lán)3種LED亮度值的疊加，紅、綠、藍(lán)的亮度值近似按照31的比例配比，通常是在器件電流出廠標(biāo)稱值的基礎(chǔ)上，設(shè)定紅、綠、藍(lán)的不同電流值以達(dá)到上述比例。整屏亮度不是越高越好，而是合適就行。Micro LED全彩顯示屏亮度的一致性取決于Micro LED芯片亮度的一致性。一般要求Micro LED每種顏色的最高與最低亮度比不高于1.3，保證相鄰的兩個(gè)同色Micro LED亮度差異小于10%。Micro LED亮度越高，使用電流的余量越大，對節(jié)省耗電、保持LED穩(wěn)定越有好處。下圖列舉了不同

A廠芯片模組示意圖

B廠芯片模組示意圖

圖11、A廠芯片模組和B廠芯片模組的水平及垂直亮度曲線

（3）一致性

圖12、 屏體最佳視角示意圖

全彩Micro LED顯示屏是由一定數(shù)量的紅、綠、藍(lán)Micro LED芯片組成的像素拼成的，每種顏色Micro LED的亮度、波長的一致性決定了整個(gè)顯示屏的亮度、白平衡、色度一致。一般來說，顯示屏廠家要求芯片供應(yīng)商提供5nm的波長范圍及1:1.3的亮度范圍的LED芯片，這些指標(biāo)可由器件供應(yīng)商通過芯片測試設(shè)備進(jìn)行分級達(dá)到。電壓的一致性一般不做要求。由于Micro LED是有角度的，故全彩LED顯示屏同樣具有角度方向性，即在不同角度觀看時(shí)，其亮度是會遞減或遞增的。目前藍(lán)綠芯片的主要發(fā)光角度為10°到170°，紅光芯片的主要發(fā)光角度為40°~140°。這樣，紅、綠、藍(lán)3種顏色LED的角度一致性將嚴(yán)重影響不同角度白平衡的一致性，直接影響顯示屏視頻顏色的保真度。

（4）白平衡的調(diào)試

白平衡的設(shè)計(jì)是將三種基色調(diào)配為一種設(shè)想白色的過程，包括顏色和亮度的調(diào)配。我們的調(diào)配步驟如下：

a）、設(shè)定溫度、電壓、電流等；

b）、設(shè)定目標(biāo)顏色的坐標(biāo)值（X，Y）, 目標(biāo)色溫。

c）、調(diào)節(jié)白屏的亮度。

通常顏色混合遵循亮度相加定律，即混合色的亮度等于各組成色的亮度之和，同時(shí)也遵守顏色代替律，即凡是在視覺上相同的顏色，不管它們的光譜成份是否一樣，在顏色混合中的作用是等效的。

（a圖）

（b圖）

圖13、 校正前圖形（a圖）和校正后圖形（b圖）

四、結(jié)論

由上述可知，Micro LED芯片的波長、亮度、出光角度等參數(shù)決定了顯示面板的主要光學(xué)性能，Micro LED 芯片與封裝材料的折射率對器件的發(fā)光效率有著至關(guān)重要的影響。如果封裝材料的折射率較低，則其與芯片之間的臨界角θc 就會偏小，損失較高的光通量并產(chǎn)生大量熱量，造成器件溫度過高。周期性微結(jié)構(gòu)表面與平面相比能夠有效提高光提取效率，其原因在于有效光子逃逸錐可以降低封裝層和空氣之間界面上全反射現(xiàn)象的發(fā)生。封裝膠的外表面墨色、黑度、一致性、以及對外界環(huán)境光的反射率，對顯示面板的顯示對比度、外觀墨色一致性有著重要影響，而外封膠的表面墨色不僅由外封膠中添加的黑色素與封膠模具的表面光學(xué)處理方式?jīng)Q定，也由PCB的底色以及LED晶粒占發(fā)光像素的PCB焊盤面積比例大小等有關(guān)系，為了改善表面墨色也可以增加處理工藝，比如：噴涂、沾貼光學(xué)膜材等方式。隨著低灰高刷新技術(shù)的出現(xiàn)，LED顯示屏視覺刷新率主要由IC驅(qū)動(dòng)的幾個(gè)參數(shù)共同決定或制約，換幀頻率指每秒鐘更新畫面的數(shù)量，高換幀率能真實(shí)自然的反映比較快速運(yùn)動(dòng)的畫面。